比值定義法在高中物理教學中的應用研究

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(曲阜師范大學附屬中學)

物理概念是構成物理知識的基礎，學生正確理解、掌握物理概念是學好物理的前提和基礎。在教學中只有讓學生搞清楚引入物理概念的真正意圖，才能使學生主動深入地了解所要研究的問題，才能使學生真正掌握物理概念的內涵。在學生對基本概念的理解和應用的過程中，滲透著物理研究的科學思維和科學方法，在高中物理學中引入用比值法定義物理量的研究方法，在整個高中物理學中具有很重要的意義。

一、比值定義法概念

比值定義法，就是在定義一個物理量的時候采取比值的形式定義。用比值法定義的物理概念在物理學中占有相當大的比例。比值定義法的基本特點是被定義的物理量往往反映物質的最本質屬性，它不隨定義所用的物理量的大小而改變。對于被考察的未知量，先設法尋找一些外界因素來表示其特征與屬性，再借助實驗尋求一個僅與物質或物體的某種屬性特征有關的兩個或多個可以測量的物理量的比值，就能確定一個表征此種屬性特征的新物理量。

二、兩種比值定義法

應用比值定義法定義的物理量，依據其意義的不同，可以分為兩種類型：一類是兩個或多個物理量的比值是個常數，或是個定值，屬于性質量；另一類是描寫物體或物質外在的狀態、外在的作用強弱等，而并不反映其自身固有性質，屬于狀態量。這兩類用比值定義的物理量在教學中是有差異的。

1.應用比值法定義屬于性質量的物理量

應用比值法定義屬于性質量的物理量，往往需要一定的條件：一是客觀上需要，二是間接反映特征屬性的兩個物理量可測，三是兩個物理量的比值必須是一個定值。值得注意的是，教學中如果僅依據分析某一事物的某一現象或某種性質時得到的單個(或同樣)比值來定義相應的比值量，而不是將諸多事物的同一性質或者將同一事物的不同現象進行對比，就會造成該比值量的引入缺乏充分的基礎，學生也就不容易深刻理解相應概念的內涵。學生只有對幾個不同的研究對象某方面屬性從定性到定量的比較有了清楚的認識，才會感到反映該屬性(特性)的性質量的引入是自然而然的。

2.應用比值法定義屬于狀態量的物理量

對于用比值定義的描寫物體或物質外在的狀態、外在的作用強弱等的狀態量，其相關因素可以不一定成正比。應用比值法定義屬于狀態量的物理量，往往只需要兩個條件：一是客觀上需要，二是間接反映特征屬性的兩個物理量可測。但在教學中要注意充分還原與展現比值法引入物理量的過程，否則學生會感到難以理解。

三、高中比值定義幾個典型物理量的特點

(一)勻速直線運動物體的速度v

1.定義：在勻速直線運動中，物體通過的位移s與所用時間t的比值叫做勻速直線運動的速度。定義式為：v=s/t。

2.物理意義：描述物體運動的快慢。

3.特點：勻速直線運動的速度是恒定不變的，即v是確定的，與s和t無關，既不隨s的增大而增大，也不隨t的增大而減小。因而不能這樣敘述：勻速直線運動的速度與位移成正比，與時間成反比。

(二)勻變速直線運動的加速度a

1.定義：在勻變速直線運動中，物體速度的變化△v與所用時間△t的比值叫做勻變速直線運動的加速度。定義式為：a=△v/△t。

2.物理意義：描述物體速度變化的快慢。

3.特點：勻變速直線運動的加速度是恒定的，即a與△v和△t無關，而是由物體受到的合外力和物體的質量共同決定的。

(三)電場中某點的電場強度E

1.定義：放入電場中某點的電荷(也叫檢驗電荷)受到的電場力F跟它的電荷量q的比值，叫做電場在這一點的電場強度。定義式為：E=F/q。

2.物理意義：描述電場的強弱。

3.特點：一個電場一旦確定了，電場中某點的電場強度也就確定了，由電場及該點在電場中的位置決定。在該點放上不同的電荷，它受到的電場力將不同，但電場力F跟它的電荷量q的比值是不變的，即電場中某點的電場強度與放在其中的檢驗電荷無關，與檢驗電荷受到的電場力也無關。即使在該處不放電荷，該出的電場依然存在，電場強度仍為定值。

(四)電容器的電容C

1.定義：電容器所帶電荷量Q與電容器兩極間電勢差U的比值叫電容器的電容。定義式為：C=Q/U。

2.物理意義：表征電容器容納電荷的本領。

3.特點：對于固定電容器，其電容是不變的。即電容器容納電荷的本領是由電容器本身決定的，不取決于電容器所帶的電荷量多少和兩極間電勢差的大小，即使電容器不帶電，兩極間不加電勢差，其電容也是存在的。

(五)導體的電阻R

1.定義：加在導體兩端的電壓U與流過導體的電流I的比，叫做導體的電阻。表達式為：R=U/I。

2.物理意義：表征導體對電流的阻礙作用。

3.特點：一段確定的導體，對電流的阻礙作用是確定的，與導體兩端的電壓、流過導體的電流無關。導體的電阻，由導體的材料、粗細、長短及溫度決定。

(六)磁場中某處的磁感應強度B

1.定義：在磁場中某處，垂直于磁場方向放置的一小段通電直導線，受到的安培力F，跟電流I和導線長度L的成績IL(稱作電流元)的比值，叫該處的磁感應強度。定義式為：B=F/IL。

2.物理意義：描述磁場的強弱。

3.特點：在磁場中某處，垂直于磁場方向放入相同長度(L)的直導線，通入不同的電流I，該導線受到的安培力F不同，但F/IL是一個恒量；在該處放入不同長度(L)的直導線，通入相同的電流I，該導線受到的安培力F不同，但F/IL仍是一個恒量，且兩種情況下的恒量是相同的。這說明磁感應強度B，與通電直導線受到的安培力F、電流元IL無關，是由磁場本身決定的。

通過對以上幾個量的分析可知，它們有一個共同的特點，即表征物質某一方面的性質，由所表征的物質決定，它的大小與物體自身的性質有關，與定義它的其他物理量并無直接的關系。牢牢抓住這一特點，在教學中就要正確無誤地說明物理量的定義，明確指出此類物理量的特點，列舉實例說明分析這一特點，突出決定性的因素，澄清認識。各物理量都有其特定的物理意義，教學中要進行深入細致的分析，反復舉例說明，抓住特征，理解概念。采用類比法教學也能收到較好的效果。例如，學生理解了勻速直線運動的速度是不變的，在教授其它幾個類似的物理量時，就可以和它進行對比說明，往往會收到事半功倍的效果。

總之，在教學中講解用比值法定義的物理量時一定要讓學生認識到被定義的物理量是反映了物體或物質的物理屬性，理清物理知識的內涵，切忌被數學符號形式化，忽視了物理量的豐富內涵，只有從量度公式中揭示所定義的物理量與相關物理量的真實依存關系和物理過程，才能達到對知識的真正理解。當然物理概念來源于生活實際，授課時要讓學生明白現實生活中的一些物理量之間的比值是有意義的，新物理量的名稱只是為了區分這些具有不同意義的比值。學生只有明白引入某一物理概念的真正意圖，才能對要研究的問題有深入的了解，才能說真正地掌握了一個物理概念。